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一种石英晶振主电路

阅读：1009发布：2021-02-02

专利汇可以提供一种石英晶振主电路专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明适用于振荡集成电路领域，提供了一种石英晶振主电路，包括一个振荡晶体管和2个电容构成的三点式振荡器的选频网络、偏置电压产生电路，与偏置电压产生电路连接的参考电平产生电路及峰值检测比较电路，还包括与参考电平产生电路及峰值检测比较电路、选频网络均连接的反馈增益控制电路，用于在选频网络的输出信号超过参考电平产生电路及峰值检测比较电路产生的参考电平时，自动控制选频网络中振荡晶体管的增益直至振荡器达到平衡；所述选频网络通过隔直电容与参考电平产生电路及峰值检测比较电路连接。，下面是一种石英晶振主电路专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种石英晶振主电路，包括由一个振荡晶体管和2个电容构成的三点式振荡器的选频网络、偏置电压产生电路，与偏置电压产生电路连接的参考电平产生电路及峰值检测比较电路，其特征在于，还包括与参考电平产生电路及峰值检测比较电路、选频网络均连接的反馈增益控制电路，用于在选频网络的输出信号超过参考电平产生电路及峰值检测比较电路产生的参考电平时，自动控制选频网络中振荡晶体管的增益直至振荡器达到平衡；所述选频网络通过隔直电容与参考电平产生电路及峰值检测比较电路连接；所述参考电平产生电路及峰值检测比较电路包括栅极与所述偏置电压产生电路连接的第一NMOS晶体管，漏极与所述第一NMOS晶体管的漏极连接、源极与电源电压连接的第三PMOS晶体管，栅极与所述第三PMOS晶体管的栅极及选频网络连接的第四PMOS晶体管。
2.如权利要求1所述的石英晶振主电路，其特征在于，所述反馈增益控制电路包括输入端与所述参考电平产生电路及峰值检测比较电路连接的、由1个电阻和2个电容组成的π形低通滤波器，及栅极与所述π形低通滤波器的输出端连接、源极与电源电压连接的第一PMOS晶体管，及源极与所述第一PMOS晶体管的漏极连接、栅极与所述选频网络连接的第二PMOS晶体管。
3．如权利要求2所述的石英晶振主电路，其特征在于，在所述选频网络与第二PMOS晶体管之间、选频网络与第四PMOS晶体管之间还分别具有由电阻和二极管组成的静电放电保护电路；在所述第一PMOS晶体管的栅极与电源电压之间还具有钳位二极管。

说明书全文

一种石英晶振主电路

技术领域

[0001] 本发明属于振荡集成电路领域，尤其涉及一种石英晶振主电路。

背景技术

[0002] 石英晶体集成电路振荡器是射频通信系统和数字电路的重要集成模块，由于其具有很高的空载品质因素和极小的接入系数，因此有很高的频率稳定度和很低的相位噪声，从而可以提供很准确的时钟信号基准。

[0003] 图1 示出了一个典型的电容三点式Colpitts结构并联型石英晶振主电路的构成，其中包含了石英晶体J1、电容C1和C2、反相放大器、偏置电压产生电路、参考电平产生电路以及峰值检测比较电路。在振荡频率处石英晶体J1等效为一个电感，从而和外部的电容C1、C2构成电容三点式LC振荡器。

[0004] 当振荡器电路满足小信号的起振条件，在电源上电的时候，由于电路中的噪声干扰的作用，既开始有瞬变电流的产生，这个瞬变电流所包含的频带极宽，但是由于选频回路的选频作用，它只选择出了本身谐振频率的信号，由于正反馈的作用，导致谐振频率信号越来越强，在振荡建立的过程中，随着谐振频率信号越来越强，振荡器从小信号工作条件逐渐变为大信号工作。如果外界不加任何措施，放大器就从线性放大器过渡到非线性放大器，即振荡晶体管进入了它的输出特性曲线的可变电阻区和截止区，其源漏极电流包含了丰富的谐波，会造成输出信号的波形失真，而且过大的振荡信号幅度不仅会使后面的电路发生过载从而产生非线性失真，并会对系统的其他模块造成电磁辐射干扰以及加快石英晶体J1的老化。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于：提供一种石英晶振主电路，旨在解决振荡电路在大信号工作条件下，没有外界的增益控制将造成输出信号波形失真等问题。

[0006] 本发明的目的是这样实现的：

[0007] 一种石英晶振主电路，包括由一个振荡晶体管和2个电容构成的三点式振荡器的选频网络、偏置电压产生电路，与偏置电压产生电路连接的参考电平产生电路及峰值检测比较电路，其特征在于，还包括与参考电平产生电路及峰值检测比较电路、选频网络均连接的反馈增益控制电路，用于在选频网络的输出信号超过参考电平产生电路及峰值检测比较电路产生的参考电平时，自动控制选频网络中振荡晶体管的增益直至振荡器达到平衡；所述选频网络通过隔直电容与参考电平产生电路及峰值检测比较电路连接；所述参考电平产生电路及峰值检测比较电路包括栅极与所述偏置电压产生电路连接的第一NMOS晶体管，漏极与所述第一NMOS晶体管的漏极连接、源极与电源电压连接的第三PMOS晶体管，栅极与所述第三PMOS晶体管的栅极及选频网络连接的第四PMOS晶体管。

[0008] 所述反馈增益控制电路包括输入端与所述参考电平产生电路及峰值检测比较电路连接的、由1个电阻和2个电容组成的π形低通滤波器，及栅极与所述π形低通滤波器的输出端连接、源极与电源电压连接的第一PMOS晶体管，及源极与所述第一PMOS晶体管的漏极连接、栅极与所述选频网络连接的第二PMOS晶体管。

[0009] 在所述选频网络与第二PMOS晶体管之间、选频网络与第四PMOS晶体管之间还分别具有由电阻和二极管组成的静电放电保护电路；在所述第一PMOS晶体管的栅极与电源电压之间还具有钳位二极管。

[0010] 本发明的突出优点是：本发明通过反馈增益控制电路，可以有效地起到对振荡器的自动增益控制，而且通过调节参考电平的大小就可以控制自动增益控制反馈电路起作用时的振荡幅度的大小，从而可以控制平衡时的振荡输出信号的幅度和电路功耗的大小。附图说明

[0011] 图1是典型的电容三点式Colpitts结构并联型石英晶振主电路构成示意图；

[0012] 图2是本发明优选实施例提供的Colpitts结构石英晶振主电路图。

具体实施方式

[0013] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0014] 图2示出了本发明优选实施例提供的Colpitts结构石英晶振的主电路。

[0015] 在本发明实施例中，NMOS型晶体管M1、PMOS型晶体管M2、M3及电阻R5、R6组成跟踪工艺变化的参考电平产生电路及峰值检测比较电路。片外的石英晶体J1和电容C1、C2构成的三点式振荡器的选频网络，通过隔直电容C3连接到M3的栅极。PMOS晶体管M5工作于饱和区，为PMOS晶体管M4提供电流偏置，二者组成反相放大器。M4为振荡晶体管J1提供一个负电阻以补偿选频网络的消耗能量的正电阻。M5的栅极接到电容C4、C5和电阻R4组成的π形的低通滤波器输出端。π形的低通滤波器的输入端则与M3的栅极连接。电阻R1、R2、R3组成M4的栅极分压电路。

[0016] 对温度和电源不敏感的偏置电压产生电路产生一个对温度和电源不敏感的偏置电压加到M1的栅极以提供一个恒定的偏置电流，从而M1的源漏极电流也对温度和电源的变化不敏感，流过M2产生偏置电压，通过电阻R5、R6的分压，在R5的两端输出M3的偏置电压，这个偏置电压就是参考电平。通过调节电阻R5和R6之间的比值，在静态的时候电阻R5两端的分压输出电压保证M3截止，振荡器的输出信号通过电容C3隔去直流成分后耦合送到M3的栅极。

[0017] 当振荡器刚起振时，振荡器的输出信号的幅度较小，因此M3保持在截止的状态，反馈控制电路不启动。随着振荡器的输出信号的幅度逐渐变大，M3开始导通，而且输出信号的幅度越大，M3在一个振荡周期内导通的时间越长，导通的放电电流越大，由于电路的设计参数保证M3的导通对π形的低通滤波器的放电速度高于电源电压对π形的低通滤波器的充电速度,于是由于M3的导通使得M5的偏置电压开始减小，振荡晶体管的增益变小，振荡器的输出信号的幅度增幅逐渐变小，当T=AF=1时，振荡器达到平衡，此时M3的导通对π形的低通滤波器的放电速度等于电源电压对π形的低通滤波器的充电速度。

[0018] 振荡器的输出信号的幅度的大小可以通过调节参考电平的值来实现，取的较大则较小输出信号的幅度会使得峰值电平检测比较电路起作用，于是平衡时的输出信号的幅度较小；反之亦然。

[0019] 作为本发明的优选实施例，电阻R7、R8是静电放电保护电阻，它们和两个二极管（图中未画出）一起组成静电放电保护电路，可以对振荡器起到良好的限流作用。另外，由于在刚刚起振的时侯，PMOS型晶体管M5的栅源极间的电压接近电源的电压VDD, 而石英晶体振荡器的电源电压应用范围很宽（2.7V-5V），为了防止电压VDD为其最高值5V时M5流过的偏置电流太大，因此在M5的栅极与VDD之间增加二极管P1-P4，以起到钳位作用。

[0020] 由上述可见，本发明实施例通过M4、M5及π形低通滤波器构成的反馈增益控制电路，可以有效地起到对振荡器的自动增益控制，而且通过调节参考电平的大小就可以控制自动增益控制反馈电路起作用时的振荡幅度的大小，从而可以控制平衡时的振荡输出信号的幅度和电路功耗的大小。同时因为参考电平是由能跟踪CMOS工艺变化的参考比较电平电路利用来自对温度和电源电压不敏感的偏置电压产生电路的偏置电压产生的，所以这个参考电平对温度和电源电压的敏感度很小，并且可以跟踪工艺参数的变化，故而振荡平衡时的振荡幅度和电路功耗不仅可以通过调节参考电平的大小来控制，而且还可以在很宽的电源电压应用范围和工作温度范围以及CMOS工艺参数变化的条件下基本保持不变。本发明实施例设计的电路简单有效，所需的元件少，使得实现的成本低，占用的体积小。

[0021] 经实验检测，当电源电压为3.6V，工作温度为27℃时的输出振荡信号的峰值平均为Vpp=756mV，平均功耗为1.5mw，相位噪声平均为-168dBc/Hz@10kHz，并且当电源电压和工作温度分别在2.7V到5V和-40℃到125℃的范围内变化，输出信号的峰峰值的变化在±15%以内,电路功耗的变化在±7%以内。

[0022] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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